1) В ходе продолжения проекта будут разработаны методы получения широкого круга структурных аналогов диазо(арилиден)сукцинимидов (ДАС). Учитывая результативность исследований в области химии ДАС на предыдущем этапе (5 статей, из которых 4 в журналах Q1) и имеющийся к настоящему моменту задел, большие перспективы обещает изучение химического поведения аналогов ДАС, отличающихся природой или количеством акцепторных групп (сульфо- и дезоксо-аналоги), размером цикла (шести- и семичленные аналоги) и другими структурно-электронными параметрами. Результаты исследований с их участием позволят сделать выводы о возможности и различиях протекания уже известных для ДАС реакций, а также выявить новые аспекты реакционной способности и обнаружить новые направления трансформаций. На основе изученных превращений будут разработаны методы синтеза новых частично насыщенных полигетероциклов.

2) Будет подробно исследован недавно обнаруженный необычный каталитический эффект, заключающийся в зависимости соотношения продуктов реакции внедрения в связи С-Н и С-О тетрагидрофурана от количества катализатора, используемого для генерации карбеноида. Результаты исследований позволят установить причины эффекта, выявить влияние структуры катализатора на соотношение изомерных продуктов и найти наиболее эффективные катализаторы для селективного проведения каждого из превращений. Будет осуществлен поиск других диазогетероциклов, способных участвовать в конкурирующих процессах СН- и СО-внедрения при Rh(II)-катализируемом разложении, а также других реакций с участием интермедиатов илидного типа, в которых реализуется аналогичный эффект. Как фундаментальная, так и прикладная значимость этого направления исследований очевидны: этот эффект в той или иной степени может иметь место для многих каталитических процессов с участием диазосоединений; выявление причин и закономерностей эффекта позволит управлять хемоселективностью реакций, протекающих при каталитическом разложении диазореагентов.

3) Апробированный на примере диазогомофталимидов и диазотетрамовых кислот принципиально новый подход к синтезу спироциклических фуран-2-онов (так называемых бутенолидов) в рамках продолжения настоящего проекта будет развит в общую методологию получения пятичленных кислородсодержащих и азотистых спирогетероциклов. Основанный на тандеме реакций ХН-внедрения и последующей эндо-диг-циклизации этот подход будет распространен на широкий круг гетероциклических диазореагентов. В качестве ХН-субстратов помимо успешно зарекомендовавших себя пропиоловых кислот будут задействованы их амиды и непредельные сульфонамиды. Будут тщательно очерчены границы применимости данного метода, и изучен его синтетический потенциал. Будет изучена возможность вовлечения в эти превращения алленовых субстратов, что откроет привлекательную и эффективную альтернативу методу, основанному на применении пропиоловых кислот, для получения пирролин- и фуран-2-онов, и позволит синтезировать пятичленные гетероциклы с заместителем в 3-ем положении.
Учитывая большое значение спироциклических скаффолдов в области поиска биологически-активных веществ и разработки новых фармацевтических препаратов, развитие эффективных подходов к их синтезу и получение новых классов спиро-гетероциклических соединений имеет высокую прикладную значимость. Особо следует отметить важность пятичленных гетероциклов, таких как спиро-бутенолиды и спиро-пирролидины, на разработке методов синтеза, модификации и изучении биологической активности которых наша научная группа в последнее время фокусирует свое внимание. Бутенолидный фрагмент является общим для многих физиологически активных соединений как синтетического, так и природного происхождения, из которых L-аскорбиновая кислота, пожалуй, наиболее известное и необходимое для нормальной жизнедеятельности человека. Не меньшее значение имеют 2-спиро-аннелированные пирролидины, являющиеся основой таких биоактивных природных и синтетических малых молекул, как алкалоиды Shihunine и Amathaspiramide, препараты Rolapitant [https://en.wikipedia.org/wiki/Rolapitant] и Spirotetramat [https://en.wikipedia.org/wiki/Spirotetramat] и его аналоги, а также Armeniaspirols, Pityriarubin B, Oxazolomycin и многие другие.

4) В ходе изучения химии диазотетрамовых кислот были получены важные и перспективные результаты, указывающие на необходимость продолжения исследований в этой области. В рамках новой задачи будут развиты методы синтеза различных аналогов диазотетрамовых кислот (шести- и семичленных диазо-кетолактамов, сультамовых производных), объединяющим структурным мотивом которых является наличие двух акцепторов при диазогруппе. На примере полученных диазогетероциклов будет изучен широкий круг превращений, некоторые из которых уже были нами апробированы для диазотетрамовых кислот. Эти изыскания станут основой эффективных методов получения новых гетероциклических спиросочлененных и конденсированных производных. К ряду важных реакций, которые будут тщательно исследованы, относятся:
- тандем перегруппировки Вольфа с реакцией Штаудигера (получение спиро-бета-лактамов), а также с присоединением к промежуточному кетену различных нуклеофилов (получение широкого круга производных гетероциклических карбоновых кислот);
- Cu(II)-катализируемая конденсация с енаминами/иминами или силиловыми эфирами енолов, приводящая к пирроло-конденсированным лактамам или сультамам;
- конденсация Вольфа при взаимодействии с аминами и гидразинами и взаимодействие с реактивом Лавессона, приводящие к конденсированным 1,2,3-триазолам и 1,2,3-тиадиазолам, соответственно;
- реакция Rh(III)-катализируемой С-Н активации с последующей циклизацией, приводящая к образованию различных бензоконденсированных гетероциклических систем.

5) Продолжение исследований в области химии новых типов диазогетероциклов - диазоизохинолинонов и диазоазепанонов приведет к освоению удобных методов модификации изохинолинового и бензазепинового ядер (на основе различных реакций внедрения), а также способов построения на их основе новых поли-гетероциклических скаффолдов (азолоконденсированных и мостиковых систем). Отдельное внимание будет уделено фотоиндуцируемым превращениям этих диазогетероциклов, на основе которых будут разработаны методы получения различных гетероциклческих производных, не требующие использования дрогостоящих и токсичных производных переходных металлов.

6) В рамках продолжения проекта будут предложены новые эффективные подходы к получению гетероциклических винил-диазокарбонильных соединений с эндоциклическиой двойной связью. Исследование превращений этих новых гетероциклических диазосоединений приведет к разработке удобных методов функционализации пирролидинового, пиридинового и азепинового ядер, и позволит синтезировать широкий круг их производных. Будут также получены 4-диазопиразолин-5-оны, содержащие эндоциклическую двойную связь С=N (аза-аналоги соответсвующих винил-диазокарбонильных соединений). Исследование химии этих мало изученных диазогетероциклов (прежде всего внутримолекулярных реакций с участием заместителя в положении 5) приведет к разработке методов построения различных бициклических конденсированных и спиросочлененных систем.

7) С применением диазокарбонильных гетероциклов будут разработаны подходы к синтезу бициклических скаффолдов, основанные на последовательности стадий ХН-внедрение/внутримолекулярная конденсация с участием карбонильной группы. Эти разработки откроют доступ к многообразию новых азотистых и кислородсодержащих гетероциклических производных. Будут исследованы возможные пути пост-модификации получаемых в результате тандемного процесса бициклических гетероциклов.

8) В рамках продления проекта будут получены сульфо- и гетеро-аналоги диазогомофталимидов, которые ранее зарекомендовали себя в качестве эффективных и универсальных билдинг-блоков. Для сульфо-аналогов с ожидаемой более высокой активностью будет проведено сравнение химического поведения в ранее изученных на примере диазогомофталимидов реакциях, а также исследованы новые превращения с их участием, что позволит разработать методы получения гетероциклических производных на основе бензо[e][1,2]тиазинового и бензо[d][1,2]тиазинового скаффолдов. На примере гетероциклических аналогов диазогомофталимидов, в которых бензольное кольцо заменено гетероядерным, будет изучено влияние аннелированного гетерокольца на реакционную способность диазогетероцикла, и исследован их большой синтетического потенциала для получения новых стркутруно разнообразных гетероциклических производных. Будут получены гетеро-аналоги на основе пиррола, индола, различных азолов, пиридина и пиримидина. Помимо широкого круга различных межмолекулярных превращений будут исследованы внутримолекулярные превращения, которые станут основой новых методов построения трициклических пери-конденсированных систем.

9) Будут изучены биохимические свойства синтезированных в ходе исследований гетероциклических соединений. Все новые соединения будут протестированы на широкой панели опухолевых культур для выявления специфической противоопухолевой активности (цитотокс- и/или антипролиферативная активность). Выявленные в скрининге соединения-хиты будут более детально изучены на предмет дозозависимой цитотоксичности, индукции апоптоза, активации каспаз и влияния на клеточный цикл методами проточной цитометрии. Кроме того, среди соединений, имеющих сопряженную с электроноакцепторной группой двойную углерод-углеродную связь (акцепторы Михаэля), например, бутенолидов, пирролидонов и других, будет проведен поиск селективных и эффективных, в противоопухолевом смысле, ингибиторов тиоредоксинредуктазы.

Успешное достижение означенных результатов откроет широкие возможности для модификации и сборки большого разнообразия гетероциклических скаффолдов, а также позволит значительно расширить химическое пространство потенциально биологически активных соединений. В большинстве программ по открытию новых лекарственных препаратов биоактивные малые молекулы идентифицируются на начальном этапе с помощью широкомасштабного биохимического скрининга. Успех на этом этапе во многом определяется как размером коллекции химических соединений, так и широтой ее структурного разнообразия. Разработка синтетических подходов, направленных на создание такого разнообразия в короткие сроки, подходов так называемого ‘Diversity-oriented Synthesis’, является одной из актуальнейших задач медицинских химиков. Немаловажным аспектом при разработке таких подходов являются дополнительные требования, предъявляемые синтезируемым структурам, соответствие которым резко повышает вероятность нахождения желаемого связывания с биологической мишенью. Одними из ключевых требований являются невысокий молекулярный вес, невысокая степень липофильности (хорошая водорастворимость), умеренный процент связей со свободным вращением (конформационная жесткость). Очень хорошо соответствуют этим критериям (критериям так называемых ‘drug-like’ структур) и идеально подходят для использования в биологическом скрининге молекулы на основе насыщенных или частично насыщенных гетероциклов, особенно бициклические соединения конденсированого, спироциклического или мостикового строения, синтезируемые в ходе нашего проекта.
Все полученные соединения (не менее 250 веществ) будут интегрированы в открытую коллекцию органических веществ для биохимического теститрования, созданную на базе СПбГУ. Разработка подходов к синтезу новых, в том числе и спироциклических, функционализированных гетероциклов, наработка полученных соединений в достаточных количествах с последующей интеграцией в открытую коллекцию будет способствовать формированию вектора развития как российской фундаментальной науки, так и фармацевтической промышленности.
Полученные научные результаты будут опубликованы в минимум 8 статьях высокорейтинговых изданий по синтетической органической химии и представлены на различных международных конференциях. По результатам исследований будут защищены 2-3 выпускные квалификационные работы (бакалаврские и магистерские) и по крайней мере одна кандидатская диссертация.